Fanwalls in RLT-Anlagen

Sogenannte Fanwalls sind zunehmend im Einsatz, weil sie gegenüber Einzelventilatoren viele Vorteile bieten. Das wichtigste Argument für die Verwendung von mehreren kleineren und parallel arbeitenden Ventilatoren ist der deutlich reduzierte Platzbedarf. Das zeigt exemplarisch ein Konfigurationsbeispiel für ein Gerät mit einer Luftleistung von 40.000 m³/h: Die erforderliche Baulänge des Ventilatormoduls ergibt beim „Freiläufer“ 1.932 mm, während das Fanwall Modul mit vier EC-Ventilatoren mit nur 1.017 mm realisiert werden kann (s. Bild 2).

Hohe Betriebssicherheit

Darüber hinaus sorgt die Aufteilung des Gesamtvolumenstroms auf mehrere Ventilatoren für homogenere Strömungsverhältnisse im Gerät. Auch Vibrationen und Schallemissionen fallen geringer aus als bei einem Freiläufer. Damit liegt es nahe, auch die Sicherung von Redundanz als Vorteil der Fanwall aufzuführen. Anwendungen wie z. B. Reinraum-Produktionsbereiche, Medizintechnik und andere sensible Bereiche erfordern redundante Komponenten, um auch im Störungsfall den regulären Betrieb ohne Einschränkungen sicher stellen zu können. Wenn z. B. in einer 2x2-Fanwall einer der vier Ventilatoren ausfällt, kann durch die verbleibenden drei Einheiten ein anteiliger oder – bei entsprechender Auslegung – auch der volle Volumenstrom aufrechterhalten werden.

Anforderungsprofil ist entscheidend

Was auf den ersten Blick einfach erscheint, bedarf einer genaueren Betrachtung und Klärung von drei Fragen:

Wie stark ist der Effekt der Rückwärtsströmung durch einen defekten bzw. ruhenden Ventilator?

Durch welche Regelgröße wird der Ventilator angesteuert (Drehzahl, Druck, Volumenstrom)?

Welche Kundenanforderung besteht im Hinblick auf einen Ventilatorausfall – soll z. B. der fehlende Anteil des Volumenstroms vollständig durch die verbleibenden Ventilatoren ausgeglichen werden?

Rückströmung senkt Effizienz deutlich

Zur Veranschaulichung der Rückströmung durch einen ruhenden Ventilator hilft eine beispielhafte Darstellung (s. Bild 3), die mit fachlicher Unterstützung des Ventilatorherstellers ebm-papst erstellt wurde.

Qualitativ wird in diesem Beispiel mit einer 2x2-Fanwall deutlich: beim Ausfall eines Ventilators ist der Volumenstrom der zurückströmenden Luft durch den stehenden Ventilator (qV_lek, mittlere Spalte) vergleichbar groß wie seine konfigurierte Luftleistung. Der im System noch verfügbare Volumenstrom pendelt sich bei etwas über 50 % ein. Da von den drei sich noch in Betrieb befindlichen Ventilatoren zusätzliche Ventilatorenergie für die rückströmende Luft aufgebracht werden muss, fällt die Effizienz des Gesamtsystems um ca. ein Drittel ab.

In der rechten Spalte der Abbildung wurde der ruhende Ventilator mit Hilfe von Lüftungsklappen verschlossen. Die Luftleistung des gesamten Systems ist hier lediglich um 25 % reduziert und die Ventilatoreffizienz bleibt erhalten. Für eine quantitative Beurteilung müssen die Druckverhältnisse im Detail betrachtet werden.

Unter Berücksichtigung der Arbeitssicherheitsrichtlinien erfordert das manuelle Verschließen einer Ventilatordüse eine ungewünschte Betriebsunterbrechung. Für einen sinnvollen Redundanzbetrieb bedarf es also für die Abschlussklappen der Ventilatoren einer automatisierten Lösung. Ggf. muss diese um eine regelungstechnische Funktion erweitert werden, die durch eine geeignete Ansteuerung der arbeitenden Ventilatoren den gesamten Volumenstrom bzw. Druck konstant hält. (s. Bild 4 und 5). Die von Wolf entwickelte selbsttätige Fanwallklappe stellt dafür eine effektive Lösung dar, die mit minimalem Bauteilaufwand diese Anforderungen erfüllt.

Technische Auslegung

Die miteinander verbundenen Klappenblätter jedes Ventilators sind dauerhaft leichtgängig gelagert und so geformt, dass sie bei einsetzender Rückströmung ohne Hilfsenergie schließen. Bei Durchströmung der Ventilatoren in Laufrichtung öffnet die Klappe ebenfalls selbsttätig. Der durch die geöffneten Klappen zwangsläufig auftretende Druckverlust im Normalbetrieb ist mit ∆P = 3,5 x ^1,5 ( in m/s) als sehr gering zu bewerten. Bei einer Luftgeschwindigkeit von 1,6 m/s ergibt sich ein Druckverlust von etwa 7 Pa. Einen typischen Ventilatorwirkungsgrad von > 70 % vorausgesetzt, errechnet sich daraus ein elektrischer Leistungsbedarf von weniger als 2,8 W je 1.000 m³/h Luftleistung.

Je nach Kunden-Anforderung kann mit einem zentralen Kanaldrucksensor oder per Volumenstrommessung an jedem einzelnen Ventilator die Ansteuerung der Ventilatoren so nachgeführt werden, dass beim Ausfall eines Ventilators der Druck bzw. der fehlende Volumenstrom automatisch kompensiert wird. Für diese Form der Redundanz werden die Ventilatoren leicht überdimensioniert ausgelegt, damit im Ernstfall die nötige Leistungsreserve zur Verfügung steht.

Zusammenfassung

Die Fanwall bietet gegenüber Einzelventilatoren die Vorteile der kurzen Baulänge und einer optimalen Strömung. Anforderungen sensibler Anwendungsbereiche mit hoher Ausfallsicherheit kann die Fanwall ebenfalls erfüllen. Wichtig sind dabei die regelungstechnische Ansteuerung sowie die Unterbindung der Kurzschlussströmung, die entsteht, wenn ein Ventilator nicht in Betrieb ist. Die Wolf Fanwallklappe erledigt diese Aufgabe zuverlässig ohne Hilfsenergie und mit nur minimalem Druckverlust.